Введение 7
1.1 Литературный обзор 9
Теоретическая часть 13
2. Методы гомогенизации 13
2.1 Метод среднего поля 14
2.2 Метод Мори-Танака 16
3. Моделирование накопления повреждения
(тензор поврежденности) 18
3.1 Описание модели прогрессирующего разрушения 18
3.2 Критерии разрушения 19
3.3 Модели повреждений 23
3.4 Законы эволюции повреждения 24
4. Моделирование расслоения 25
4.1 Метод когезионного слоя 25
4.2 Метод виртуального закрытия трещин 29
Практическая часть 31
5. Модель №1 33
5.1 Параметры модели 33
5.2 Результаты 35
6. Модель №2 39
6.1 Параметры модели 39
6.2 Результаты 40
7. Модель №3 44
7.1 Параметры модели 44
7.2 Результаты 47
Заключение 59
Список литературных источников 60
В настоящее время при проектировании высокотребователных конструкций широко используются композиционные материалы (КМ). Изучение композиционных материалов является активно развивающимся направлением механики твердых тел. Данные материалы имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционными материалами, такие как высокая удельная прочность, высокая жёсткость, высокая износостойкость, высокая усталостная прочность, легкость и другие [1]. Благодаря своим усовершенствованным свойствам, композиты привлекательны для использования в аэрокосмической и автомобильной промышленности, приборостроении, применяются для создания медицинского оборудования и техники, а также используются для создания спортивного инвентаря. В таких потенциальных применениях компоненты материала, как правило, подвергаются множественным статическим, ударным и усталостным нагрузкам. Для улучшения свойств материалов решающее значение приобретает развитие прогностических возможностей, позволяющих строить иерархические модели механического поведения материалов и определять их эффективные свойства на основе анализа внутренней структуры материала.
По структуре композиционные материалы разделяют на три класса:
1) волокнистые композиты - представляют собой матрицу, армированную волокнами различной формы: нити, стержни, ленты или сетки. Армирование волокнистых композитов может осуществляться по одноосной, двухосной и трехосной схеме. Прочность и жесткость таких материалов определяется свойствами армирующих волокон;
2) слоистые КМ - состоят из чередующихся слоев наполнителя и матричного материала. Часто такую конструкцию называю сэндвич или ламинат. Слои материала- наполнителя композита могут иметь различную ориентацию. Возможно поочередное использование слоев наполнителя с разными механическими свойствами. Для слоистых композиций обычно используют неметаллические материалы;
3) дисперсно-упрочненные КМ - представляют собой матрицу с мелкими равномерно распределенными частицами. В этих материалах эксплуатационные свойства зависят от дисперсности частиц, их размеров и плотности распределения. Чем мельче частицы наполнителя и меньше расстояние между ними, тем прочнее композитный материал, но при этом он имеет более низкую ударную вязкость и пластичность [2].
В данной работе будут рассмотрено поведение слоистых композиционных материалов.
Из-за сложной геометрической структуры, прогнозирование инициирования повреждений и их эволюции в компонентах композита все еще является актуальной проблемой при использовании КМ в конструкциях.
Целью работы является изучение процессов накопления повреждений, деградации жесткостных свойств, развития внутренних дефектов, а также процессов расслоения в слоистых композитах при сложном нагружении.
Для достижения поставленной цели в рамках ВКР были поставлены следующие задачи:
• изучение научной литературы;
• создание многомасштабных моделей разрушения слоистых композиционных материалов;
• численный расчет структуры слоистого композита с деградацией его жесткостных свойств;
• численный расчет структуры слоистого композита с постепенным разрушением и расслоением композита.
В работе исследовано поведение различных образцов слоистого полимерного композиционного материала под воздействием сложной нагрузки. Реализован многомасштабный подход к решению задачи, применены методы прогрессирующего разрушения, метод когезионного слоя и метод виртуального закрытия трещины. Были использованы многокомпонентные критерии разрушения. В ходе работы были получены результаты численного моделирования, наглядно показывающие процесс накопления повреждений и расслоение слоистых композиционных материалов.
Из полученных результатов можно сделать следующие основные выводы:
• Степень расслоения слоистого композита зависит от направления нагрузки, ее величины, а также от наличия дефектов внутри КМ.
• В большинстве экспериментов процесс разрушения композиционного материала протекал быстрее чем процесс расслоения.
• При разрушении материала композита, процесс расслоения может не наблюдаться. Однако, процесс расслоения КМ приводит к ускорению накопления повреждений и разрушения материала.
Полученные результаты наглядно показывают особенности процессов накопления повреждений и разрушения в слоистых композиционных материалах при 62
различных видах нагружения, и могут быть использованы при моделировании полномасштабных конструкций.
